萬幸芝１,劉新龍２,王夢婕１,蔡振兵２,彭金方２,朱旻昊１,２

(西南交通大學１．材料先進技術教育部重點實驗室摩擦學研究所,

２．牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所,成都 ６１００３１)

摘 要:采用球/平面接觸方式在自制的試驗設備上對 AZ３１B鎂合金進行切向微動磨損試驗,研究了 AZ３１B鎂合金在２０,１００,２００,３００ ℃下的微動磨損行為,并分析了其磨損機制和摩擦氧化作用.結果表明:在不同試驗溫度下,鎂合金的微動主要通過滑移來實現;隨著試驗溫度的升高,上升階段時的摩擦因數增大,摩擦因數到達峰值和穩定階段所需的循環次數減小;隨著試驗溫度的升高,AZ３１B鎂合金的磨損體積和摩擦副的總磨損體積均先減小后增大,２００ ℃時,AZ３１B鎂合金的磨損體積最小;在微動磨損過程中,AZ３１B鎂合金磨痕表面的摩擦氧化起主導作用;當試驗溫度低于２００ ℃時,AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉移膜,磨損體積隨試驗溫度的升高而減小,但在３００ ℃時,鐵的氧化物轉移膜被破壞,磨損體積增大.

關鍵詞:AZ３１B鎂合金;微動磨損;摩擦氧化

中圖分類號:TH１１７．３ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０７Ｇ０００６Ｇ０６

０ 引 言

微動是指在緊固配合的機械零部件中發生振幅極小的相對運動(位移幅值一般為微米量級)[１Ｇ２].微動會造成材料的磨損或導致疲勞裂紋的萌生與擴展,從而引起零部件的卡死、振動、磨損或斷裂.微動磨損 是 造 成 機 械 零 部 件 災 難 性 事 故 的 原 因 之一[３Ｇ４],因此材料的微動磨損機制以及如何提高抗微動磨損性能是摩擦學研究的重點.隨著工業化、城鎮化進程的加快和消費結構的持續升級,我國能源需求呈剛性增長態勢,并且資源環境問題依然是制約我國經濟社會發展的瓶頸之一,因此節能減排成為我國工業發展的重點方向之一.鎂及其合金是目前已知的在工程應用中密度最小的結構材料[５],具有高的比強度、高的阻尼和降噪能力、良好的屏蔽電磁干擾性能,且易于機械加工及回收利用等,被譽為“２１世紀的綠色金屬結構材料”[６Ｇ８],廣泛應用于汽車和航空航天領域[９Ｇ１０].近年來,有關鎂合金的常規摩擦磨損性能的研究很多,但微動磨損行為的研究較少,而緊固配合的鎂合金零部件在工作時經常會發生微動磨損 [１１Ｇ１３].因此,作者以目前應用最為廣泛的 AZ３１B鎂合金為研究對象,研究了不同溫度下的微動磨損行為,探討了其磨損機制和摩擦氧化行為,為鎂合金應用領域的擴展提供指導[１４].

１ 試樣制備與試驗方法

試驗 材 料 為 市 售 AZ３１B 鎂 合 金 板,尺 寸 為１５０mm×２００mm×４０mm,主要化學成分(質量分數/％)為３．１Al,０．８Zn,０．３２Mn,０．００３Fe,０．０１Cu,０．００１Ni,余 Mg;其熱處理工藝為３００ ℃×１h退火熱處理,抗拉強度為２３０MPa,屈服強度為１６０MPa,硬度為７６HV.

采用球/平面接觸方式在自制的試驗設備上進行切向微動磨損試驗,設備裝置如圖１所示.磨球選用 GCr１５ 鋼 球,直 徑 為 １０ mm,表 面 粗 糙 度 為０．０２μm,硬度為６３ HRC;AZ３１B 鎂合金試樣尺寸為１０mm×２０mm×４ mm,接觸表面經粗磨和用直徑為０．２５μm 的金剛石顆粒拋光至表面粗糙度約為０．０２μm.試驗溫度為２０,１００,２００,３００℃,載荷為８N,位移幅值為４５μm,頻率為２．５Hz,循環次數為１００００周次.試驗前,磨球和鎂合金試樣均經酒精

超聲波清洗并吹干.試驗結束后,采 用 OlympusＧBX６０M 型光學顯微鏡(OM)和JSMＧ６０００LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察 磨 痕 形 貌;采 用 BrukerContourGT 型白光干涉儀(３D)觀察磨痕的形貌并計算磨 損 體 積;采 用 OXFORD XＧMAX５０INCAＧ２５０型能譜儀(EDS)測 AZ３１B 鎂合金和 GCr１５鋼球接觸面的化學成分及其分布.

２ 試驗結果與討論

２．１ 微動磨損特性

由圖２可知:不同溫度下,AZ３１B 鎂合金在不同循環次數下的摩擦力Ｇ位移曲線均呈平行四邊形,這說明 AZ３１B鎂合金與 GCr１５鋼球均處于完全滑移的接觸狀態,微動主要通過滑移來實現,且位移隨著循環次數的增加而均略微減小;在２０,２００,３００℃下,當循環次數大于１０００周次時,試驗過程中的最大摩擦力均趨于穩定,而在１００℃下,試驗過程中的最大摩擦力不斷增大;在相同循環次數下,２０ ℃時的摩擦力均最小.由圖３可知:切向微動摩擦因數隨循環次數的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩定等５個階段,溫度對上升階段、峰值階段和穩定階段摩擦因數的影響程度較大;在上升階段,隨著試驗溫度的升高,摩擦因數增大,這主要是由于隨著溫度的升高,AZ３１B鎂合金的軟化、黏著作用增強,且試驗溫度升高使表面吸附水膜蒸發,從而導致摩擦因數增大[１５];在２０ ℃時,約經過２５００次循環后摩擦因

數達到峰值,而在２００,３００ ℃時,僅需約６００次循環,可見達到摩擦因數峰值所需的循環次數隨試驗溫度的升高呈減小的趨勢,且試驗溫度越高,摩擦因數峰值越高,這進一步說明溫度對黏著作用的影響較大;在２０ ℃時,摩擦因數達到峰值后呈鋸齒狀下降,這說明此時二體作用向三體作用轉變,參與承載的第三體層表面有裂紋萌生,發生脆裂,磨屑不斷被排出,導致摩擦力下降[４],摩擦因數在１００００次循環時并未進入穩定階段,這說明磨屑的產生速率與排出速率未達到動態平衡;在１００℃時,摩擦因數達到峰值后緩慢上升,這說明磨屑排出量減少且主要堆積在磨痕邊緣處;在２００,３００℃時,摩擦因數達到峰值后的下降階段較短,之后快速進入穩定階段,此時磨屑的產生速率與排出速率達到動態平衡.對于較軟的材料,其微動磨損行為主要取決于磨屑從接觸表面排出的速率[１６].由圖４可知,在２０ ℃時,鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑較多,在１００℃時,鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑變少,且主要堆積在磨痕邊緣處,而在２００,３００ ℃時鎂合金磨痕周圍未出現大量磨屑.這可能是由于試驗溫度的升高使接觸表面的化學狀態發生改變,磨屑不易排出并快速被氧化堆

積于接觸表面,形成第三體層,從而降低了磨屑排出速率,這使得摩擦因數快速進入穩定階段.

在 AZ３１B鎂合金/GCr１５鋼球的切向微動磨損過程中,摩擦氧化和材料力學性能的變化是影響磨損體積的主要因素.由圖６可知:在２０ ℃時,摩擦副間材料的轉移。

并不明顯,這是由于該溫度下 AZ３１B鎂合金表面微凸體黏著點的結合強度低于摩擦副間的剪切強度,因此 AZ３１B鎂合金僅發生輕微黏著磨損;在２００ ℃時,摩擦副間材料的轉移較顯著,黏著磨損加劇,這是由于隨著溫度的升高,AZ３１B鎂合金出現軟化現象,即剪切強度降低,從而促使鎂合金轉移至GCr１５鋼球接觸表面;在２００℃時,AZ３１B鎂合金的損傷最輕微,而GCr１５鋼球表面出現明顯劃痕,其損傷較嚴重,由此推測此時鎂合金磨痕表面所形成的第三體層起到了固體潤滑作用,從而減輕了 AZ３１B鎂合金的磨損程度;在３００℃時,AZ３１B鎂合金的軟化現象最為嚴重,因此 GCr１５鋼球表面附著大量轉移材料.

２．３ 摩擦氧化作用

由圖７和表１可知:在２０℃時,AZ３１B鎂合金未磨損的基體表面中氧元素的質量分數為１．２２％,而磨痕表面中氧元素質量分數可達６０．１８％,這說明在切向微動磨損過程中磨痕表面發生了氧化反應;隨著試驗溫度的升高,磨痕表面的氧元素含量下降,這說明磨痕表面的氧化程度減弱.磨痕表面的氧化主要為摩擦氧化和一般熱氧化,溫度升高促進一般熱氧化的發生,但是摩擦氧化與環境的濕度有關;隨著溫度的升高,濕度降低,摩擦氧化程度減弱[１８]:因此,在切向微動磨損過程中,摩擦氧化起主導作用.隨著試驗溫度的升高,磨痕表面中鐵元素含量先增大后減小,在３００℃時,鐵元素質量分數僅為０．５８％.由氧元素和鐵元素的含量變化可見:當試驗溫度低于２００ ℃時,AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉移膜,該轉移膜起到固體潤滑作用,從而導致磨損體積隨著試驗溫度的升高而減小;但在３００ ℃時,鐵的氧化物轉移膜被破壞,導致磨損體積增大.

由圖８可知:在２００ ℃時,氧元素、鐵元素均勻分布于磨痕表面,說明在 AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了均勻的鐵的氧化物轉移膜;在３００℃時,磨痕表面主要含有氧元素和鎂元素,鐵元素僅分布于磨痕邊緣區域,說明此時 AZ３１B鎂合金磨痕表面主要存在鎂的氧化物,此時磨痕表面鐵的氧化物的排出和材料塑性的增強是造成磨損體積增大的原因.

３ 結 論

(１)在２０,１００,２００,３００ ℃時,AZ３１B 鎂合金的微動主要通過滑移來實現;切向微動摩擦因數隨循環次數的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩定等５個階段,隨著試驗溫度的升高,上升階段時的摩擦因數增大,摩擦因數到達峰值和穩定階段所需的循環次數減小.

(２)隨著試驗溫度的升高,AZ３１B鎂合金的磨損體積和 摩 擦 副 的 總 磨 損 體 積 均 先 減 小 后 增 大,２００ ℃時,AZ３１B鎂合金的磨損體積最小.

(３)在切向微動磨損過程中,AZ３１B 鎂合金表面的摩擦氧化起主導作用,隨著試驗溫度的升高,磨痕表面的氧化程度減弱;當試驗溫度低于２００℃時,AZ３１B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉移膜,該轉移膜起到固體潤滑作用,導致磨損體積隨著試驗溫度的升高而減小,但在３００℃時,鐵的氧化物轉移膜被破壞,磨損體積增大.

來源：材料與測試網